羧甲基魔芋葡甘聚糖理化性质、安全性及其复配可食膜的制备研究

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目前,塑料包装造成的环境问题已引起各国各界的关注,为降低对环境的危害,绿色包装材料的开发成了各国在包装材料领域的研究方向。其中以天然高分子材料开发可食性包装成为了一大热点,这也必将成为未来食品包装行业发展的主导方向。此时,魔芋葡甘聚糖(konjac glucomannan,KGM)因其独特的理化性质,优良的成膜性能,在众多高分子材料中脱颖而出,其改性产品羧甲基魔芋葡甘聚糖(carboxymethyl konjac glucomannan,CMK)也得以开展应用。  本文探究了CMK的基本理化性质,分析了CMK对肠道微生态环境的影响,通过动物实验验证了其毒理学安全性质,并采用CMK和KGM为原料,以流延法制备热敏性复配可食包装膜,通过对配方工艺的优化,期望改善其热封性能上的缺陷,最终探讨了该成膜的基本性能,以期为环保包装、魔芋的推广和深层次开发应用提供理论参考和依据。研究内容和结果主要包括以下几个方面:  1.CMK理化性质研究:  (1)表观特性:CMK的表观特性与KGM较为相似,仍呈粉状,无臭无味,易溶于水,不溶于乙醇、乙醚等有机溶剂,且两者白度较为接近。  (2)取代度:根据国标中的酸洗法,测得CMK取代度为0.34±0.01。  (3)表观黏度:CMK比同浓度的KGM,黏度降低了两百多倍。  (4)静态流变学性质:CMK溶液为假塑性流体,其黏度随剪切速率的增大而降低,黏度系数k值随着浓度的上升而上升。  2.CMK对肠道微生态的影响:通过体外发酵实验,发现CMK对机体的肠道健康无损害作用,证明它对肠道发酵环境是安全、无影响的。  3.CMK的毒理性研究:  (1)急性毒性实验:通过不同剂量组对小鼠的灌胃处理,以及灌胃后小鼠活动的观察,得出CMK实际无作用剂量大于10000mg/kg。  (2)骨髓嗜多染红细胞微核实验:通过对不同剂量组对小鼠的灌胃处理,以及对小鼠的骨髓嗜多染红细胞微核的显微镜观察,证明CMK在本实验剂量范围内不会使小鼠产生致突变作用。  (3)小鼠精子畸形实验:通过对不同剂量组对小鼠的灌胃处理,以及对小鼠性染色体在形态结构上的显微镜观察,证明了CMK不会对小鼠产生致畸变作用。  (4) SD大鼠30天喂养实验:通过不同剂量喂养下,对大鼠摄食量、体重、食物利用率、血常规指标、血生化指标,以及主要脏器系数的研究,得出CMK不会影响到大鼠的体重、食物利用率的异常变化;不会对大鼠的各种功能性血细胞产生病理损害作用;不会对大鼠机体的酶系统等产生病理损害作用;也不会产生蓄积毒性作用导致生病理损害。  4.CMK复合膜配方及工艺、性能的研究:  (1)单因素实验:通过各项单因素试验,确定了CMK、KGM、明胶和甘油的最佳用量分别为1.40%,0.25%,0.30%,0.25%。  (2)响应面分析:通过Design Expert软件进行中心组合设计,判定出对可食膜的热封强度(TS)影响的大小顺序为:甘油用量>明胶用量>KGM用量>CMK用量;对可食膜断裂伸长率(E)影响的大小顺序为:甘油用量> KGM用量>CMK用量>明胶用量;对可食膜的热封强度(SS)影响的大小顺序为:明胶用量>KGM用量>甘油用量>CMK用量。  (3)最终确定制作工艺的最佳参数:综合考虑TS、E、SS,进行联合求解,确定最佳工艺参数为:CMK用量为1.42%,KGM用量为0.25%,明胶用量为0.33%,甘油用量为0.23%,此条件下抗拉强度TS值为10.58MPa,断裂伸长率E值为20.24%,热封强度SS为4.36 N/15mm。  (4)成膜的性能测定:通过对热封优化前后可食膜的性能测定,包括透湿系数(Water Vapor Permeability, WVP)、透油系数(Oil Permeability, PO)、透明度(T)、色差(Whiteness)、抗拉强度(Tensile Strength, TS)、断裂伸长率(Elongation,E)、热封强度(Sealing Strength, SS)、以及不同温度下水溶性的差异,发现优化前后透湿性、透油系数、透明度、色差及抗拉强度TS这五个指标的性能比较接近,而热封优化后,成膜的断裂伸长率大幅度降低,热封强度较好地改善。对不同温度下水溶性的测试,热封优化后的成膜显示出低温溶解速度降低,高温溶解速度与优化前接近,考虑到用其包装的基质都是热水冲泡,所以该优化工艺对成膜的热敏性应用不会造成不良影响。
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